用于风机故障诊断的方法和系统与流程

本发明涉及用于风机故障诊断的技术，具体地涉及用于风机故障诊断的方法和系统。

背景技术：

轴承及齿轮损伤所产生的振动一般会在频谱上留下损伤特征频率。风机传动链机械结构复杂，低速处损伤信号需要经过复杂的传递路径才能被探测到，此外风机在运行时转速变化较大，这些因素往往造成难以在频谱上找到损伤特征频率。

此外，在实际的风机振动测量中，通常通过加装外置的转速传感器测量轴的转速。外置的转速传感器受环境的影响比较大，造成信号不稳定。此外，转速传感器需要额外的支架固定，其设计、安装和实施受制于其它的因素，且放置在风机上的固定支架也会受到相关的维护工作的影响，很难得到一个稳定可靠且便于测量的转速信号。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种用于风机故障诊断的方法和系统，用于解决通过风机的轴的低频转速信号得到用于风机诊断故障的轴周期谱。

为了实现上述目的，本发明提供了一种用于风机故障诊断的方法，该方法包括：获取所述风机的轴的低频转速信号和作用于所述风机的振动信号；对所述低频转速信号进行插值升样，得到插值升样后的高频转速信号；根据所述高频转速信号对所述振动信号进行轴周期同步转换，得到轴周期同步信号；以及对所述轴周期同步信号进行希尔伯特变换和傅里叶变换，得到用于风机故障诊断的轴周期谱。

优选地，对所述低频转速信号进行插值升样包括：采用内插法和外推法对所述低频转速信号进行插值升样。

优选地，在对所述振动信号进行轴周期同步转换之前，该方法还包括：在时间上对所述振动信号和所述转速信号进行同步匹配；其中所述转速信号为所述低频转速信号或所述高频转速信号。

优选地，对所述振动信号进行轴周期同步转换包括：从所述转速信号中推算出所述转速信号所对应的轴的转动周期；以及根据所述转动周期对所述振动信号按照所述转速信号所对应的轴的转动角度进行离散化，以使得所述振动信号按照所述对应的轴的转动角度等距分布，从而得到所述轴周期同步信号。

优选地，所述获取所述风机的轴的低频转速信号为采集所述风机的解算器或变流器的输出信号得到所述低频转速信号。

相应地，本发明还提供了一种用于风机故障诊断的系统，该系统包括：采集单元，用于获取所述风机的轴的低频转速信号和作用于所述风机的振动信号；插值单元，用于对所述低频转速信号进行插值升样，得到插值升样后的高频转速信号；转换单元，用于根据所述高频转速信号对所述振动信号进行轴周期同步转换，得到轴周期同步信号；以及处理单元，用于对所述轴周期同步信号进行希尔伯特变换和傅里叶变换，得到用于进行风机故障诊断的轴周期谱。

优选地，对所述低频转速信号进行插值升样包括：采用内插法和外推法对所述低频转速信号进行插值升样。

优选地，该系统还包括：匹配单元，用于在对所述振动信号进行轴周期同步转换之前，在时间上对所述振动信号和转速信号进行同步匹配；其中所述转速信号为所述低频转速信号或所述高频转速信号。

优选地，对所述振动信号进行轴周期同步转换包括：从所述转速信号中推算出所述转速信号所对应的轴的转动周期；以及根据所述转动周期对所述振动信号按照所述转速信号所对应的轴的转动角度进行离散化，以使得所述振动信号按照所述对应的轴的转动角度等距分布，从而得到所述轴周期同步信号。

优选地，所述获取所述风机的轴的低频转速信号为采集所述风机的解算器或变流器的输出信号得到所述低频转速信号。

通过上述技术方案，本发明通过对风机的轴的低频转速信号进行插值升样得到高频转速信号，然后对作用于风机的振动信号进行轴周期同步转换得到轴周期同步信号，接着通过对轴周期同步信号进行希尔伯特变换和傅里叶变换得到用于风机故障诊断的轴周期谱，其中通过数值升样精确获得风机传动链各处的转动轴转速，为准确监测风机状态提供保障，通过轴周期谱分析振动特征，可以很好地对机械故障进行诊断，提升在线监测系统的稳定性。

本发明实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：

图1是本发明提供的用于风机故障诊断的方法的流程图；

图2是本发明提供的用于风机故障诊断的具体操作过程的示意图；

图3是本发明提供的用于风机故障诊断的系统的框图；

图4是本发明提供的解算器或变流器输出的低频转速信号点与在线采集的高频真实转速信号的图示；

图5是本发明提供的高速轴周期误差与高速轴转速的关系；

图6是本发明提供的低速轴周期谱；

图7是本发明提供的图6的同一段信号的低速轴周期包络谱；以及

图8是本发明提供的高速轴周期包络谱。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。

图1是本发明提供的用于风机故障诊断的方法的流程图，如图1所示，该方法包括：

步骤101，获取风机的轴的低频转速信号和作用于风机的振动信号；

步骤102，对低频转速信号进行插值升样，得到插值升样后的高频转速信号；

步骤103，根据高频转速信号对振动信号进行轴周期同步转换，得到轴周期同步信号；

步骤104，对轴周期同步信号进行希尔伯特变换和傅里叶变换，得到用于风机故障诊断的轴周期谱。技术人员可以根据轴周期谱对风机故障进行诊断分析。

其中，获取风机的轴的低频信号为采集风机的解算器或变流器的输出信号得到所述低频转速信号。电机旋转时，编码器每转会输出若干脉冲信号，经过解算器或者变流器的控制单元加工处理后，以低频数字信号的形式传送到主控制器(这里应当注意的是低频的信号不是主控制器用于控制电机转动的信号，本领域技术人员应当理解，主控制器用于控制电机转动的信号是高频的信号)，进行风机相关控制。编码器原始数据精度较高，但是经变流器加工后的信号采样频率较低，一般只有20赫兹。

振动信号也称为加速度信号，一般通过加速度传感器采集变速器或发电机的信号来得到。在本发明中，低频转速信号和震动信号一起导入状态监测采集仪(也可以是下文中所描述的采集单元)，进行在线的同步变换及其相关的其它数字信号处理。

通常，为了能够对振动信号进行轴转动周期的同步分析，需要较高采样频率的转速信号作为输入，根据经验，其采样频率需要高于最大特征频率的若干倍。综合转速和机械损伤振动频谱特征，高速部分机械损伤特征频率较高，对转速信号有较高采样率的需求，但是其损伤特征信号往往比较明显，转速测量的不精确性对特征频率探测的影响可能不大。对于低速处的损伤信号，虽然加速度响应比较低，但由于旋转周期相对要长很多，因此在进行轴周期同步处理时，往往可接受精确程度相对较低的转速信号。因此，本发明中采用对低频转速信号进行插值升样的方法是可行的。

具体来说，对低频转速信号进行插值升样包括：采用内插法和外推法对低频转速信号进行插值升样。一般来说，对低频转速信号进行数值插值升样是采用内插法，升样倍数可以根据所要实现的状态监测任务预先指定，插值升样时可以考虑输入低频信号在时间上的变化趋势并且在必要时采用外推法进行处理。对于所采用的具体的插值方法可以是现有技术中适用的一些插值方法，本领域技术人员可以根据实际情况采用合适的插值方法。

为了保证转速信号与振动信号在时间上是同步的，在对振动信号进行轴周期同步转换之前，该方法还包括：在时间上对振动信号和转速信号进行同步匹配，以保证两种信号在时间上是同步的，其中转速信号为低频转速信号或高频转速信号。应当说明的是，本发明中所描述的转速信号可以指的是低频转速信号，也可以指的是高频转速信号，应当理解的是，高频转速信号是低频转速信号插值升样得到的，所以低频转速信号和高频转速信号在时间上是同步的，无论对低频转速信号还是高频转速信号与振动信号进行时间同步匹配，另一者也就与振动信号在时间上同步了。这里将转速信号与振动信号进行同步的目的是可以得到轴的转动周期，所以对低速转速信号或高速转速信号与振动信号进行同步都可以，因为都可以得到轴的转动周期。当然，优选情况下，对高频转速信号与振动信号在时间上进行同步。

其中，对振动信号进行轴周期同步转换包括：从转速信号中推算出转速信号所对应的轴的转动周期；以及根据转动周期对振动信号按照转速信号所对应的轴的转动角度进行离散化，以使得振动信号按照对应的轴的转动角度等距分布，从而得到轴周期同步信号。本领域技术人员应当理解，对振动信号进行轴周期同步转换之后，振动信号在时间轴上不再等距分布，而是按照轴的转动角度等距分布。

由于风机传动链的不同部件转速变化幅度相对较大，可以达到100倍，通过采取相应带宽的滤波处理，可以更好地观察和显现相应的损伤信号，这对低速部分的齿轮和轴承损伤检测尤为重要，因为损伤振动的加速度响应比较弱，而且环境噪声比较复杂。因此，在对轴周期同步信号进行希尔伯特变换和傅里叶变换之前，本发明提供的方法还可以包括：对轴周期同步信号进行滤波处理。本领域技术人员应当理解，风机传动链上的不同部件的损伤信号相互关系是线性的。

因此，图1所示的对轴周期同步信号进行希尔伯特变换和傅里叶变换的步骤也可以是对滤波之后的轴周期同步信号进行希尔伯特变换和傅里叶变换。具体来说，对滤波之后的轴周期同步信号的处理过程是先进行希尔伯特变换再进行傅里叶变换。

对滤波之后的轴周期同步信号进行希尔伯特变换之后得到分析函数，分析函数是一个复函数，其中分析函数的幅值表示轴周期同步信号的瞬时幅值，分析函数的相位表示轴周期同步信号的瞬时相位。

对经过希尔伯特变换之后得到的分析函数进行傅里叶变换，由于已经将振动信号进行轴周期同步转换，所以傅里叶变换之后得到的不再是通常的频谱信号，而是轴周期谱，齿轮或轴承的损伤信号可以根据机械设计参数按照相应的轴周期精确地计算得到。

图2是本发明提供的用于风机故障诊断的具体操作过程的示意图，如图2所示，该过程包括：

步骤201，获取低频转速信号和振动信号。

步骤202，对低频转速信号进行插值升样。

步骤203，对振动信号和转速信号进行时间匹配。

步骤204，对振动信号进行轴周期同步转换。

步骤205，对步骤204中的轴周期同步转换后的轴周期同步信号进行滤波处理。

步骤206，对滤波处理后的轴周期同步信号进行希尔伯特变换。

步骤207，在步骤206的希尔伯特变换之后进行傅里叶变换，得到用于风机故障诊断的轴周期谱。

图3是本发明提供的用于风机故障诊断的系统的框图，如图3所示，该系统包括采集单元301、插值单元302、转换单元303和处理单元304。其中，采集单元301用于获取风机的轴的低频转速信号和作用于风机的振动信号；插值单元302用于对低频转速信号进行插值升样，得到插值升样后的高频转速信号；转换单元303用于根据高频转速信号对振动信号进行轴周期同步转换，得到轴周期同步信号；处理单元304用于对所述轴周期同步信号进行希尔伯特变换和傅里叶变换，得到用于进行风机故障诊断的轴周期谱。

本发明提供的用于风机故障诊断的系统还包括匹配单元(图中未示出)，用于在对振动信号进行轴周期同步转换之前，在时间上对振动信号和转速信号进行同步匹配；其中转速信号为低频转速信号或高频转速信号。

应当说明的是，本发明提供的用于风机故障诊断的系统的具体细节及益处与本发明提供的用于风机故障诊断的方法类似，于此不予赘述。

为了验证上述通过利用低频转速信号进行风机故障检测的技术，我们利用风机在线状态监测系统实测的齿轮损伤振动信号以及具有高采样率的转速信号进行了相关模拟和验证工作。

图4是本发明提供的解算器或变流器输出的低频转速信号点(即稀疏采样点)与在线采集的高频真实转速信号(即真实速度)的图示，图4所示的是一段时长为5秒的某个风机齿轮箱输出轴实测的转速信号，根据解算器或变流器输出的20赫兹的数据发送频率，我们从这段数据中按每50ms选取了100个点，其均匀地分布在5秒时间内，用来模拟从风机的解算器或变流器输出的转速信号。接下来，我们将这些均匀选出来的低频转速信号的低频速度点进行插值升样处理，在进行插值升样处理时，同时考虑速度点的变化趋势并做相应的外推处理，以防不符合真实情况的异常点的出现。将图4中的20赫兹采样率的模拟点升样到20k赫兹采样率的转速信号，将其在5秒内的分布和走势和通过在线检测系统采集的20k赫兹的真实转速信号进行了比较，两者在微小的转速变化幅度内具有很高的重合度。

为了进一步检验通过上述方法所获得的转速的误差，我们采用了300段60秒长的实测高采样转速信号，与以上所描述的方法类似，从每段信号中均匀抽取低频转速信号模拟解算器或变流器输出，通过插值升样，获得和实测信号相同采样率的速度分布，通过对真实和模拟转速信号的比较，获得每段数据中的转速相对误差。图5是本发明提供的高速轴周期误差(相对误差)与高速轴转速的关系，如图5所示，图5显示的是从300段信号中计算出的转速相对误差(模拟得到)随风机高速轴转速的分布，可以看出，风机转速越大，模拟所得的转速误差越大，且与转速有线性关系，但是其值相对较小，即使发电机以30hz的转速运行，推算得到的转速相对误差也只有0.5ppm左右。这样的误差，即使传导到齿轮箱最低阶齿轮啮合频率处，其对频率标定的影响也是可控的。

接下来，将应用实测的风机故障信号，检验本发明提供的技术方案对不同转速处部件故障特征频率的识别，这里采用了某风机一阶行星齿轮以及高速轴齿轮故障的例子。图6是本发明提供的低速轴周期谱，显示了某风机的低速轴周期谱，在所显示的至600低速轴周期的谱上，可以清晰地观察到5阶行星齿轮啮合谱，利用实测转速信号和模拟控制系统转速信号所得的周期谱在到600周期范围内基本上没有什么差别。图7是本发明提供的图6的同一段信号的低速轴周期包络谱，从图7中可以很明显地看出一组特征谐波，对应于此行星齿轮的损伤频率，在最高至40周期的包络谱上，实测转速和模拟转速基本上对损伤特征频率的响应没有任何不同。

在图6和图7中，是对应于同一个风机中高速轴齿轮损伤的周期谱及其相对应的周期包络谱。在周期谱中，可以清晰地看到不同的谐波，且其振动响应非常明显，需要指出的是，通过实测转速信号所获得的振动响应在这些谐波点上要普遍大于利用模拟转速所获得周期谱，这种差异在高频处要明显大于低频处信号，还显示了在高频处的局限性。

图8是本发明提供的高速轴周期包络谱，在图8所示的包络周期中，首先可以清晰地观察到两组谐波，分别对应于高速轴大小齿轮中的两个齿损伤，并且通过实测和风机控制系统低频转速信号所获得的包络周期谱在至12周期的范围内，基本上没有很大的差异，这显示了通过包络谱方法处理低频转速信号可以有效地识别不同的故障信号。

以上结合附图详细描述了本发明实施例的可选实施方式，但是，本发明实施例并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施例的技术构思范围内，可以对本发明实施例的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施例的保护范围。

基于风机的解算器或变流器输出的低频转速信号，经过插值升样，并进一步利用带通滤波和希尔伯特变换可以将轴转动周期信息从包含轴相应的振动信号中有效提取出来。应用实例显示，利用本发明提供的技术方案可以检测到风机不同转速处的故障，与通过利用实测转速信号相比，应用本发明提供的技术方案不但可以降低状态监测系统的开发和制造成本，还可以很大地提升在线监测系统的稳定性，降低机上环境或者相关维护工作对状态监测系统的影响。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施例对各种可能的组合方式不再另行说明。

本领域技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得单片机、芯片或处理器(processor)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

此外，本发明实施例的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施例的思想，其同样应当视为本发明实施例所公开的内容。